JP5143714B2 - ポジションセンサ素子およびポジション検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、指示された２次元およびこれに直交する３方向のポジションを検出するポジションセンサ素子およびポジション検出装置に関する。

従来の技術として、シフトレバーの変位に連動して変位するマグネット板と、対面して配置された板状の磁性体である一対の磁性板を有する第１のヨーク及び第２のヨークと、マグネット板の磁石から生じる磁束密度の変化を計測するための磁気検出素子とを備えた位置センサが知られている（例えば、特許文献１）。

このマグネット板は、非磁性体である非磁性部分と、磁性体である磁石体とが、周方向に交互に配置された略扇状の板状部材からなっている。また、第１及び第２のヨークは、所定の間隙である第１及び第２の隙間を設けた状態で一対の磁性板を保持する第１及び第２のブリッジ部を備えている。

この位置センサによると、シフトレバーの変位によってマグネット板が変位し、第１又は第２のヨークに収容される磁石体の数に応じて磁気検出素子で検出される磁束密度が段階的に変化するので、検出された磁束密度に基づいたシフトレバーのシフトポジションを検出することが可能になる。
特開２００７−４０７２２号公報

しかし、従来の位置センサによると、磁気検出素子で検出される磁束密度の変化の幅が小さく、外部磁場の影響によって誤作動する可能性があり、また、シフトレバーの変位によって指示された２次元方向しかポジションを検出できない。

従って本発明の目的は、非接触によって、安定して２次元のポジションを検出でき、かつ、この２次元のポジションに略直交する方向の合計３方向のポジションを検出できるポジションセンサ素子およびポジション検出装置を提供することにある。

［１］本発明は上記目的を達成するため、傾倒操作を行うことによって２次元のポジション、および、前記２次元のポジションに略直交する軸方向の３方向のポジションを指示する操作部と、前記操作部に設けられ、前記傾倒操作を行う方向に対して垂直方向に磁化されたカウンター磁石と、感磁方向が直交する第１及び第２の磁気抵抗素子からなるハーフブリッジ回路と前記ハーフブリッジを４５°回転させたハーフブリッジを用いて形成したフルブリッジ回路を十字の各頂点に第１〜第４のフルブリッジとしてそれぞれ配置し、前記傾倒操作に基づく前記磁界の方向の変化に基づいて、対向する前記第１及び第２のフルブリッジから第１の出力電圧、及び対向する前記第３及び第４のフルブリッジから第２の出力電圧を出力する第１の磁気センサと、前記十字に配置されたフルブリッジ回路の略中心に配置され、前記軸方向の操作に基づく前記磁界の磁束密度の変化に基づいて、第３の出力電圧を出力する第２の磁気センサと、を有し、前記第１及び第２の出力電圧に基づいて前記傾倒操作によって指示された前記２次元のポジション、及び、第３の出力電圧に基づいて前記軸方向の操作によって指示された前記軸方向のポジションを検出することを特徴とするポジション検出装置を提供する。

［２］前記第１の磁気センサはＭＲセンサ、前記第２の磁気センサはホールセンサであることを特徴とする上記［１］に記載のポジション検出装置であってもよい。

［３］また、前記カウンター磁石は、前記第１の磁気センサの前記第１乃至第４のフルブリッジをすべて覆う着磁面を有することを特徴とする上記［１］または［２］に記載のポジション検出装置であってもよい。

［４］本発明は上記目的を達成するため、感磁方向が直交する第１及び第２の磁気抵抗素子からなるハーフブリッジ回路と前記ハーフブリッジを４５°回転させたハーフブリッジを用いて形成したフルブリッジ回路を十字の各頂点に第１〜第４のフルブリッジとしてそれぞれ配置し、２次元のポジションを指示する傾倒操作に基づく前記磁界の方向の変化に基づいて、対向する前記第１及び第２のフルブリッジから第１の出力電圧、及び対向する前記第３及び第４のフルブリッジから第２の出力電圧を出力するＭＲセンサと、前記十字に配置されたフルブリッジ回路の略中心に配置され、前記軸方向の操作に基づく前記磁界の磁束密度の変化に基づいて、第３の出力電圧を出力するホールセンサと、を有し、前記４つのＭＲセンサと前記ホールセンサが一体的にモールドされ、ワンパッケージにより形成されていることを特徴とするポジションセンサ素子を提供する。

［５］前記４つのＭＲセンサが基板上に半導体プロセスにより形成され、前記基板上に前記ホールセンサがスタックされて一体的にモールドされ、ワンパッケージにより形成されていることを特徴とする上記［４］に記載のポジションセンサ素子であってもよい。

［６］また、前記第１の磁気センサおよび前記第２の磁気センサが、請求項４または５のポジションセンサ素子で構成されていることを特徴とする上記［１］に記載のポジション検出装置であってもよい。

このような構成によれば、非接触によって、安定して２次元のポジションを検出でき、かつ、この２次元のポジションに略直交する方向の合計３方向のポジションを検出できるポジションセンサ素子およびポジション検出装置を提供することができる。

（本発明の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るポジション検出装置１の操作部１０（ジョイスティック）の概略図である。図２は、ＭＲセンサ３０（第１の磁気センサ）とホールセンサ４０（第２の磁気センサ）をワンパッケージにしたポジションセンサ素子５０の外観斜視図である。図３は、本発明の実施の形態に係るポジション検出装置またはポジションセンサ素子を構成するＭＲセンサ３０の等価回路図である。

本発明の実施の形態に係るポジション検出装置１は、傾倒操作を行うことによって２次元（Ｘ、Ｙ）のポジション、および、この２次元のポジションに直交するＺ軸方向の３方向のポジションを指示する操作部１０と、操作部１０に設けられ、傾倒操作を行う方向に対して垂直方向（Ｚ方向）に磁化されたカウンター磁石２０と、感磁方向が直交する第１及び第２の磁気抵抗素子からなるハーフブリッジ回路とこのハーフブリッジを４５°回転させたハーフブリッジを用いて形成したフルブリッジ回路を十字の各頂点に第１〜第４のフルブリッジとしてそれぞれ配置し、傾倒操作に基づく磁界の方向の変化に基づいて、対向する第１及び第３のフルブリッジから第１の出力電圧、及び対向する第２及び第４のフルブリッジから第２の出力電圧を出力する第１の磁気センサとしてのＭＲセンサ３０と、十字に配置されたフルブリッジ回路の略中心に配置され、軸方向（Ｚ方向）の操作に基づく磁界の磁束密度の変化に基づいて、第３の出力電圧を出力する第２の磁気センサとしてのホールセンサ４０と、を有し、第１及び第２の出力電圧に基づいて傾倒操作によって指示された２次元のポジション、及び、第３の出力電圧に基づいて軸方向の操作によって指示された軸方向のポジションを検出する構成とされている。尚、図１では、ＭＲセンサ３０とホールセンサ４０が一体にパッケージ化されたポジションセンサ素子５０が基板６０上に実装されたものとして図示しているが、それぞれが基板６０上にディスクリート部品として実装されていてもよい。

操作部１０（ジョイスティック）は、台座１８の上面から垂直方向に立ち上って対向する１組の凸部１８ａを有している。凸部１８ａに設けられた開口に挿入された第２のピン１７は、ロ形状（矩形環状）を有する第２の支持部１６の対応する２辺中央に設けられた開口にも挿入され、第２の支持部１６は、第２のピン１７を回転軸（Ｙ）として回転自在に台座１８に設けられている。

また、第２の支持部１６は、他の２辺中央に開口を有し、コ字形状を有する第１の支持部１４の対応する両端に設けられた開口に第１のピン１５を挿入することで、第１の支持部１４を第１のピン１５を回転軸（Ｘ）として回転可能に設けられている。

また、レバー１２は、第１の支持部１４に固定された円筒状のスライド受け部１３の軸方向にスライド可能に支持され、上部の一端にはノブ１１が設けられると共に、他端部にはカウンター磁石２０が設けられている。レバー１２は、図示しないバネ等により中立位置（Ｚ＝０ｍｍ）に支持され、ノブ１１を上下に移動させることで、例えば、Ｚ方向に３ｍｍ移動できる構成とされている。

また、レバー１２は第１のピン１５を回転軸（Ｘ）としてＸ軸回りに傾倒操作（Ｙ方向の回転）することができ、例えば、―５．５°〜５．５°まで傾倒させてカウンター磁石２０をＭＲセンサ３０およびホールセンサ４０に対して移動させ、また、第２のピン１７を回転軸（Ｙ）としてＹ軸回りに傾倒操作（Ｘ方向の回転）することができ、例えば、―１０°〜１０°まで傾倒させてカウンター磁石２０をＭＲセンサ３０およびホールセンサ４０に対して移動させ、２次元（Ｘ、Ｙ）のポジションを指示することができる。

（カウンター磁石２０）
カウンター磁石２０は、傾倒操作を行う２次元方向に対して垂直方向に磁化されており、一例として、矩形状であって、フェライト磁石、ネオジウム磁石、希土類磁石、アルニコ磁石等の永久磁石で形成されている。また、カウンター磁石２０は、例えば、Ｎ極側がＭＲセンサ３０およびホールセンサ４０に対向して配置されている。なお、カウンター磁石２０の形状は、これに限定されず、例えば、円柱形状等であっても良い。また、カウンター磁石２０のＮ極とＳ極を入れ替えた構成としても良い。

（ＭＲセンサ３０）
図３は、本発明の実施の形態に係るポジション検出装置またはポジションセンサ素子を構成するＭＲセンサ３０の等価回路図である。

ＭＲセンサ３０は、ＮｉＦｅパーマロイ、ＮｉＣｏ及びＦｅＣｏ合金等の強磁性金属を主成分とした薄膜で作成された磁気抵抗素子である第１のＭＲ素子３１ａ及びこの感磁方向に直交して形成される第２のＭＲ素子３１ｂからなる第１のハーフブリッジ回路３２ａと、この第１のハーフブリッジ回路３２ａを４５°回転させた第２のハーフブリッジ回路３２ｂを用いて第１のフルブリッジ回路３２が形成されている。ハーフブリッジ回路の一端は電源電圧Ｖｃｃに接続され、他端はグランド（ＧＮＤ）に接続される。

同様にして、第１のＭＲ素子３１ａ及びこれに直交して形成される第２のＭＲ素子３１ｂからなる第３のハーフブリッジ回路３３ａと、この第３のハーフブリッジ回路３３ａを４５°回転させた第４のハーフブリッジ回路３３ｂを用いて第２のフルブリッジ回路３３が形成されている。また、同様にして、第１のＭＲ素子３１ａ及びこれに直交して形成される第２のＭＲ素子３１ｂからなる第５のハーフブリッジ回路３４ａと、この第５のハーフブリッジ回路３４ａを４５°回転させた第６のハーフブリッジ回路３４ｂを用いて第３のフルブリッジ回路３４が形成されている。また、同様にして、第１のＭＲ素子３１ａ及びこれに直交して形成される第２のＭＲ素子３１ｂからなる第７のハーフブリッジ回路３５ａと、この第７のハーフブリッジ回路３５ａを４５°回転させた第８のハーフブリッジ回路３５ｂを用いて第４のフルブリッジ回路３５が形成されている。

これらの第１〜第４のフルブリッジ回路３２、３３、３４、３５は、図２，３に示すように、十字の各頂点にそれぞれ配置されている。そしてこれらのフルブリッジ回路を構成する第１〜第８のハーフブリッジ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂから出力電圧Ｖ１〜Ｖ８が出力される。

（ＭＲセンサ３０の動作）
操作部１０のレバー１２をＸ方向に操作してカウンター磁石２０がＸ方向に移動されると、第５のハーフブリッジ３４ａの出力Ｖ５とこれに対向する第７のハーフブリッジ３５ａの出力Ｖ７の出力差Ｘ１はｓｉｎ波形となり、また、第６のハーフブリッジ３４ｂの出力Ｖ６とこれに対向する第８のハーフブリッジ３５ｂの出力Ｖ８の出力差Ｘ２はｃｏｓ波形となる。従って、Ｘ１及びＸ２に基づいて、一例として、角度変換としてＡｒｃｔａｎ（Ｘ１／Ｘ２）を算出し、Ｘ軸方向の角度を算出することができる。尚、上記のｓｉｎ波形、ｃｏｓ波形は、Ｙ軸方向の動きに対してほとんど影響を受けない。

また、操作部１０のレバー１２をＹ方向に操作してカウンター磁石２０がＹ方向に移動されると、第１のハーフブリッジ３２ａの出力Ｖ１とこれに対向する第３のハーフブリッジ３３ａの出力Ｖ３の出力差Ｙ１はｓｉｎ波形となり、また、第２のハーフブリッジ３２ｂの出力Ｖ２とこれに対向する第４のハーフブリッジ３３ｂの出力Ｖ４の出力差Ｙ２はｃｏｓ波形となる。従って、Ｙ１及びＹ２に基づいて、一例として、角度変換としてＡｒｃｔａｎ（Ｙ１／Ｙ２）を算出し、Ｙ軸方向の角度を算出することができる。尚、上記のｓｉｎ波形、ｃｏｓ波形は、Ｘ軸方向の動きに対してほとんど影響を受けない。

（ホールセンサ４０）
ホールセンサ４０は、図２，３に示すように十字の各頂点に配置された第１〜第４のフルブリッジ回路３２、３３、３４、３５、すなわち、ＭＲセンサ３０の中心部に配置されている。また、操作部１０のＸＹ方向の中立位置で、カウンター磁石２０の中心位置の真下に配置されている。ホール素子はインジウム・アンチモン(InSb)あるいはガリウム・砒素(GaAs)等の半導体で作られ、ホール効果(Hall Effect)により磁束密度に比例した電圧を得ることができる良好な直線性を持った小型半導体磁気センサである。

（ホールセンサ４０の動作）
操作部１０のノブ１１をＺ方向に操作してカウンター磁石２０がＺ方向に移動されると、ホールセンサ４０を透過する磁束密度が変化し、この磁束密度に比例した電圧が出力される。ここで、カウンター磁石２０の着磁面の面積を大きく設定することによりカウンター磁石２０のＸまたはＹ方向への傾倒操作の影響をほとんど受けずにＺ方向の検出をリニアに行なうことができる。

（ポジションセンサ素子５０）
上記説明したＭＲセンサ３０およびホールセンサ４０は、図２に示したように、一体にモールドされてパッケージ化されたものが好ましい。ＭＲセンサ３０は、例えば、シリコン基板上に、公知の半導体プロセス技術により、図３に示すような等価回路をＮｉＣｏ等の強磁性金属を主成分とした薄膜として形成される。このＭＲセンサ３０上に、ホールセンサ４０のベアチップをスタックし、ＭＲセンサ３０およびホールセンサ４０をワイヤボンディングにより各端子（出力、Ｖｃｃ、ＧＮＤ等）に接続した後、樹脂またはセラミックで一体にモールドすることにより、パッケージ化される。これにより、体格の低減や、組み付け工数を減少でき、コストダウンが可能となる。

（実施例）
図４（ａ）は、図１においてＺ軸方向から見たカウンター磁石２０とポジションセンサ素子５０の配置寸法の一例を示す図であり、図４（ｂ）は図１においてＹ軸方向から見たカウンター磁石２０とポジションセンサ素子５０の配置寸法の一例を示す図である。基板６０上にポジションセンサ素子５０を実装し、ＸＹの中立位置の真上にカウンター磁石２０が配置される。一例として、基板６０からカウンター磁石２０の回転中心までの寸法を約９ｍｍに設定し、カウンター磁石２０の厚み（Ｚ）方向の中心は下方１ｍｍにある。また、Ｘ方向の回転（Ｙ軸回りの回転）は、−１０°〜＋１０°、Ｙ方向の回転（Ｘ軸回りの回転）は、−５．５°〜＋５．５°、Ｚ方向は、図４（ｂ）で下方へ３ｍｍまで移動可能である。また、カウンター磁石２０は、約７ｍｍ×７ｍｍであり、ＭＲセンサ３０の第１〜第４のフルブリッジ回路３２、３３、３４、３５をすべて覆う着磁面を有するように構成されている。すなわち、レバー１２の傾倒操作によってもカウンター磁石２０の磁界がすべてのフルブリッジ回路を覆う程度にカウンター磁石２０の大きさが設定されている。

上記のような設定で、レバー１２をＹ軸回りに傾倒操作したときのＸ方向のカウンター磁石角度とＭＲセンサ３０による検出角度の関係を図５に示す。図５は、Ｙ方向の回転を−５．５°、０、＋５．５°の３段階に変化させ、それぞれについて、Ｚを０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍの４段階に変化させ、合計１２の条件でプロットした図である。図５によれば、各条件のプロット直線はほぼ重なっており、Ｘ方向のカウンター磁石角度とＭＲセンサ３０による検出角度はリニアな関係であり、Ｙ方向の回転およびＺ方向の移動によらずほぼ一定の検出が可能であることを示している。

同様に、レバー１２をＸ軸回りに傾倒操作したときのＹ方向のカウンター磁石角度とＭＲセンサ３０による検出角度の関係を図６に示す。図６は、Ｘ方向の回転を−１０°、０、＋１０°の３段階に変化させ、それぞれについて、Ｚを０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍの４段階に変化させ、合計１２の条件でプロットした図である。図６によれば、各条件のプロット直線はほぼ重なっており、Ｙ方向のカウンター磁石角度とＭＲセンサ３０による検出角度はリニアな関係であり、Ｘ方向の回転およびＺ方向の移動によらずほぼ一定の検出が可能であることを示している。

（本発明の実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）操作部１０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のカウンター磁石２０の移動をＭＲセンサ３０によりクロストークの少ない状態で検出することができるので、２次元のポジションを安定して検出することができる。また、Ｚ軸方向のカウンター磁石２０の移動をホールセンサ４０で検出するので、合計３方向のポジションを検出することが可能となる。
（２）ＭＲセンサ３０およびホールセンサ４０を使用するので、非接触でポジション検出でき、耐久性の高いポジション検出装置が可能となる。
（３）ＭＲセンサ３０およびホールセンサ４０を一体にモールドしてパッケージ化することにより、体格の低減や、組み付け工数を減少でき、コストダウンが可能となる。
（４）操作部１０として、例えば、車両のウインカレバー操作をＸ軸、ハイビームあるいはパッシング操作をＹ軸、ライト操作をＺ軸に割り当てることで、車両のレバーコンビネーションスイッチ（レバコン）に適用することができる。特に、振動等の影響が大きい車両の操作系に適用できるので、耐久性および信頼性の向上を図ることが可能となる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形が可能である。

図１は、本発明の実施の形態に係るポジション検出装置１の操作部１０（ジョイスティック）の概略図である。 図２は、ＭＲセンサ３０（第１の磁気センサ）とホールセンサ４０（第２の磁気センサ）をワンパッケージにしたポジションセンサ素子５０の外観斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態に係るポジション検出装置またはポジションセンサ素子を構成するＭＲセンサ３０の等価回路図である。 図４（ａ）は、図１においてＺ軸方向から見たカウンター磁石２０とポジションセンサ素子５０の配置寸法の一例を示す図であり、図４（ｂ）は図１においてＹ軸方向から見たカウンター磁石２０とポジションセンサ素子５０の配置寸法の一例を示す図である。 図５は、Ｙ方向の回転を−５．５°、０、＋５．５°の３段階に変化させ、それぞれについて、Ｚを０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍの４段階に変化させ、合計１２の条件でプロットした図である。 図６は、Ｘ方向の回転を−１０°、０、＋１０°の３段階に変化させ、それぞれについて、Ｚを０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍの４段階に変化させ、合計１２の条件でプロットした図である。に係るｘ方向のレバーの角度と角度変換した角度との関係を表した図である。

符号の説明

１…ポジション検出装置、１０…操作部、１１…ノブ、１２…レバー、１３…スライド受け部、１４…第１の支持部、１５…第１のピン、１６…第２の支持部、１７…第２のピン、１８ａ…凸部、１８…台座、２０…カウンター磁石、３０…ＭＲセンサ、３１ａ…第１のＭＲ素子、３１ｂ…第２のＭＲ素子、３２ａ…第１のハーフブリッジ回路、３２ｂ…第２のハーフブリッジ回路、３２…第１のフルブリッジ回路、３３ａ…第３のハーフブリッジ回路、３３ｂ…第４のハーフブリッジ回路、３３…第２のフルブリッジ回路、３４ａ…第５のハーフブリッジ回路、３４ｂ…第６のハーフブリッジ回路、３４…第３のフルブリッジ回路、３５ａ…第７のハーフブリッジ回路、３５ｂ…第８のハーフブリッジ回路、３５…第４のフルブリッジ回路、４０…ホールセンサ、５０…ポジションセンサ素子、６０…基板

Claims (6)

1. 傾倒操作を行うことによって２次元のポジション、および、前記２次元のポジションに略直交する軸方向の３方向のポジションを指示する操作部と、
   前記操作部に設けられ、前記傾倒操作を行う方向に対して垂直方向に磁化されたカウンター磁石と、
   感磁方向が直交する第１及び第２の磁気抵抗素子からなるハーフブリッジ回路と前記ハーフブリッジを４５°回転させたハーフブリッジを用いて形成したフルブリッジ回路を十字の各頂点に第１〜第４のフルブリッジとしてそれぞれ配置し、前記傾倒操作に基づく前記磁界の方向の変化に基づいて、対向する前記第１及び第２のフルブリッジから第１の出力電圧、及び対向する前記第３及び第４のフルブリッジから第２の出力電圧を出力する第１の磁気センサと、
   前記十字に配置されたフルブリッジ回路の略中心に配置され、前記軸方向の操作に基づく前記磁界の磁束密度の変化に基づいて、第３の出力電圧を出力する第２の磁気センサと、を有し、
   前記第１及び第２の出力電圧に基づいて前記傾倒操作によって指示された前記２次元のポジション、及び、第３の出力電圧に基づいて前記軸方向の操作によって指示された前記軸方向のポジションを検出することを特徴とするポジション検出装置。
2. 前記第１の磁気センサはＭＲセンサ、前記第２の磁気センサはホールセンサであることを特徴とする請求項１に記載のポジション検出装置。
3. 前記カウンター磁石は、前記第１の磁気センサの前記第１乃至第４のフルブリッジをすべて覆う着磁面を有することを特徴とする請求項１または２に記載のポジション検出装置。
4. 感磁方向が直交する第１及び第２の磁気抵抗素子からなるハーフブリッジ回路と前記ハーフブリッジを４５°回転させたハーフブリッジを用いて形成したフルブリッジ回路を十字の各頂点に第１〜第４のフルブリッジとしてそれぞれ配置し、２次元のポジションを指示する傾倒操作に基づく前記磁界の方向の変化に基づいて、対向する前記第１及び第２のフルブリッジから第１の出力電圧、及び対向する前記第３及び第４のフルブリッジから第２の出力電圧を出力するＭＲセンサと、
   前記十字に配置されたフルブリッジ回路の略中心に配置され、前記軸方向の操作に基づく前記磁界の磁束密度の変化に基づいて、第３の出力電圧を出力するホールセンサと、を有し、
   前記４つのＭＲセンサと前記ホールセンサが一体的にモールドされ、ワンパッケージにより形成されていることを特徴とするポジションセンサ素子。
5. 前記４つのＭＲセンサが基板上に半導体プロセスにより形成され、前記基板上に前記ホールセンサがスタックされて一体的にモールドされ、ワンパッケージにより形成されていることを特徴とする請求項４に記載のポジションセンサ素子。
6. 前記第１の磁気センサおよび前記第２の磁気センサが、請求項４または５のポジションセンサ素子で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のポジション検出装置。

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